علماء يبنون BirdBot الموفر للطاقة

قام فريق من العلماء في معهد ماكس بلانك للأنظمة الذكية (MPI-IS) بقيادة ألكسندر بادري-سبرويتز ببناء ساق روبوت تستند إلى النموذج الطبيعي للطيور غير القادرة على الطيران. تم إنشاء BirdBot الجديد مع عدد أقل من المحركات مقارنة بالآلات الأخرى، وتنص النظرية على أنه يمكن أن يتوسع إلى حجم كبير.

يقود بادري-سبرويتز مجموعة الديناميكا الحركية، والتي تقوم بعملية تتقاطع بين مجالي الأحياء وروبوتات. وكان الفريق يتألف من ألبرز آغاماليكي سارفيستاني، طالب الدكتوراه لبادري-سبرويتز؛ ميتين سيتي، روبوتيست ومدير في MPI-IS؛ ومونيكا أ. دالي، أستاذة أحياء في جامعة كاليفورنيا، إرفاين.

نشرت الأبحاث في مجلة Science Robotics.

النظر إلى الطيور في الطبيعة

تعتمد الطيور على حركة تتضمن طي أقدامها إلى الخلف عند وجودها في مرحلة التأرجح، ويعزى الفريق هذه الحركة إلى ربط ميكانيكي.

“ليس نظامًا عصبيًا، وليس إشارات كهربائية، وليس نشاطًا عضليًا”، يقول بادري-سبرويتز. “قمنا بفرض وظيفة جديدة للربط بين القدم والساق من خلال شبكة من العضلات والأوتار التي تمتد عبر المفاصل المتعددة. تتناسق هذه العضلات والأوتار متعددة المفاصل طي القدم في مرحلة التأرجح. في روبوتنا، قمنا بتنفيذ الميكانيكا المرتبطة في الساق والقدم، مما يتيح للمشي الروبوتي الكفء والمتين. تؤدي نتائجنا التي تظهر هذه الآلية في روبوت إلى أننا نعتقد أن هناك فوائد كفاءة مماثلة أيضًا للطيور”، يشرح.

اختبر الفريق فرضيته من خلال بناء ساق روبوتية مصممة على غرار ساق طائر غير قادرة على الطيران. تم بناء الساق الاصطناعية للطائر بدون محرك. بدلاً من ذلك، اعتمدت على مفصل مجهز بآلية نابض وكابل. ثم استخدم الباحثون الكابلات والبكرات لربط القدم ميكانيكيًا بمفاصل الساق. لكل واحدة من هذه الساقين محرك مفصل الورك، وهو مسؤول عن تحريك الساق إلى الأمام والخلف، ومحرك صغير يسحب الساق إلى الأعلى عن طريق ثني الركبة.

تم اختبار BirdBot على جهاز مشي بينما راقب الفريق طي قدمه وفردها.

“لا تحتاج مفاصل القدم والساق إلى تشغيل في مرحلة الوقوف”، يقول آغاماليكي سارفيستاني.

“تدفع النوابض هذه المفاصل، وتنسق آلية النابض والوتر الممتدة عبر مفاصل متعددة حركاتها. عندما يتم سحب الساق إلى مرحلة التأرجح، تفصل القدم نابض الساق – أو النابض العضلي الوتري، كما نعتقد أنه يحدث في الحيوانات”، يواصل بادري-سبرويتز.

طاقة صفرية عند الوقوف

استخدام ساق الروبوت طاقة صفرية عند الوقوف، مما يعني أنها تتطلب ربع الطاقة فقط من سابقتها.

عندما يركض الروبوت، تفصل القدم نابض الساق مع كل تحريك للساق. من أجل الفصل، يرخي حركة القدم الكبيرة الكابل بينما تتحرك المفاصل المتبقية للساق بحرية. هذا يخلق انتقالًا بين الحالات بين الوقوف وحركة الساق، وهو ما يتم توفيره عادةً للروبوتات بواسطة محرك في المفصل. كما يرسل مستشعر عادةً إشارة إلى متحكم يغيّر تشغيل محركات الروبوت.

“في السابق، تم تشغيل المحركات حسب ما إذا كانت الساق في مرحلة التأرجح أو الوقوف. الآن تأخذ القدم هذه الوظيفة في آلة المشي، وتغيّر ميكانيكيًا بين الوقوف وحركة الساق. نحتاج فقط إلى محرك واحد في مفصل الورك ومحرك واحد لثني الركبة في مرحلة التأرجح. نترك تشغيل وايقاف نابض الساق إلى ميكانيكا الروبوت الملهمة من الطيور. هذا هو متين وسريع وكفء في استهلاك الطاقة”، يقول بادري-سبرويتز.

BirdBot هو نموذج فيزيائي يظهر الكثير من الآليات الرائعة للطيور في الطبيعة، مثل تلك التي تساعدهم على التصرف بسرعة دون الحاجة إلى التفكير. إذا كان هناك عائق في الأرض، يتم تبديل ساق BirdBot ميكانيكيًا ودون أي تأخير زمني. مثل الطيور في الطبيعة، فإن الروبوت لديه قدرة عالية على تحمل الاضطرابات أثناء الحركة.

يمكن أن يؤدي هذا البحث الجديد إلى ساق طويلة بمتر يمكن تطبيقها لحمل روبوتات بوزن عدة أطنان، كل ذلك مع مدخلات طاقة قليلة. يمكن أن يوفر بناء BirdBot رؤى جديدة عميقة في الأحياء، مما يؤدي إلى تقدم في المجال.